EP3669451B1 - Verfahren für einen mehrmotorbetrieb - Google Patents

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EP3669451B1
EP3669451B1 EP18793428.6A EP18793428A EP3669451B1 EP 3669451 B1 EP3669451 B1 EP 3669451B1 EP 18793428 A EP18793428 A EP 18793428A EP 3669451 B1 EP3669451 B1 EP 3669451B1
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EP
European Patent Office
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motor
motors
control
converter
option
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Thomas Kilian
Sebastian Schroth
Marco Weckert
Georg Wiedmann
Ralph Wystup
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Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Original Assignee
Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H02P2006/045—Control of current

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a number of electronically commutated motors (EC motors) on a single converter.
  • EC motors electronically commutated motors
  • a converter such. B. an inverter or frequency converter is used to operate the motor. If several motors are required for an application, costs can be saved by using just one common converter.
  • Yongjae Lee and JIHa "Minimization of stator currents for mono inverter dual parallel PMSM drive system", 2014 International Power Electronic Conference (IPEC -Hiroshima 2014 - ECCE ASIA) pp. 3140 - 3144 describes a method of control and the manner of regulation of two machines connected in parallel. In this case, a current controller is used to generate a d current component in the corresponding d/q system.
  • One aspect of the invention is to design the control method in such a way that the voltage position at the output of the converter is controlled with the help of an angle and speed difference evaluation in such a way that the two or more EC motors assume a stable operating point or an intended one during operation follow the sequence of working points.
  • Control option 1 changing the amplitude of the converter output voltage
  • control option 2 changing the phase of the converter output voltage
  • control option 3 changing the amplitude and phase of the converter output voltage, combined with preferably one of each of the following sub-options.
  • control options 1, 2 and 3 are understood to be primary control options, while the sub-options are understood to be secondary options.
  • one of the three primary control options is selected first and then secondary options, referred to below as “sub-options”, are selected.
  • sub-option 1 selection of the reference motor/reference system
  • sub-option 2 selection of the operating point
  • sub-option 3 ensuring one or the preferred operating point.
  • the motor with the highest speed, the motor with the lowest speed, any motor in the system from the plurality of EC motors or alternatively a fictitious reference motor is used as the motor reference system.
  • the selection of the reference motor in the control or regulation system essentially affects the static and dynamic stability of the system, as well as the efficiency with which the motors or the entire system can be operated.
  • furthest leading motor which thus at the same time represents the motor with the weakest load, serves as a reference motor for the control of the motor system.
  • This motor is also the motor that experiences the greatest field reinforcement in the magnetic field. Meanwhile, all other motors experience a lower field intensification or field weakening and thus develop a higher torque than the leading motor.
  • the engine that lags the furthest which at the same time also represents the most heavily loaded engine, serves as the reference engine.
  • This motor is also the motor that experiences the greatest field weakening in the field. However, if the field reinforcement mode is used, this motor experiences the lowest field reinforcement. All other motors controlled by the same converter in the system experience less field weakening or field strengthening and thus develop a lower torque than the lagging reference motor.
  • an arbitrarily selected motor in the system serves as a reference motor.
  • one of the EC motors controlled by the converter can be set to its optimal operating point, while the other motors lead or lag in relation to the phase position.
  • control method for controlling the EC motors operated on the converter can also provide for the respective reference motor to be changed dynamically, so that a different motor is used as the reference motor depending on the operating behavior.
  • a fictitious motor is used as the reference motor, whose angular position z. B. is determined by a suitable weighting of the angular positions of all motors operated on the converter.
  • the fictitious motor thus receives a theoretical phase shift that results from the sum of the angular positions of several or all EC motors that are in operation on the same converter.
  • the reference coordinate system relevant for the control results from the selection of the reference motor.
  • a field-oriented or rotor-fixed coordinate system such a coordinate system is not clearly defined when connecting several EC motors to a common converter, since each EC motor has its own rotor-fixed coordinate system. If there is also a different load on the EC motors and/or if there are deviating motor parameters, the coordinate systems all deviate from one another, both statically and dynamically.
  • the corresponding reference coordinate system with its transformation angle ⁇ ref then results from the appropriate selection of the reference motor.
  • the output voltage vector Uxy to be provided by the converter consists of the values Ux and Uy, which are perpendicular to each other.
  • a speed controller can be used to regularly or continuously compare actual and setpoint speed, it must be ensured that the EC motors are kept at their desired operating point via the output voltage at the converter.
  • the desired operating point can also be achieved by specifying a fixed modulation level or duty cycle from the converter. The operating point is then set automatically.
  • Controlled operation in which an operating point is selected by means of a current controller, is also advantageous.
  • This current controller impresses the desired target current on the motor windings. This can e.g. B. be required if the engine is to be operated as a load machine.
  • the following design options arise as sub-option 3.
  • the appropriate choice of reference system d. H. of the reference motor whose operating values (e.g. speed or phase angle) are used as a reference during control operation, are decisive in order to achieve the preferred operation.
  • the current phase controller sets the phase angle ⁇ y at its output. In the steady state of the reference motor, this angle ⁇ y corresponds exactly to the phase shift ⁇ resulting from the load on the reference motor.
  • this angle can also be determined using a suitable mathematical function (e.g. as a function of the load and the speed of the motor) in order to achieve a preferred operating point.
  • the optimal operating point can also be regulated by using a value table with corresponding correlation values between the required angle and the operating point, which ensures that the angle required for the preferred operating point is also set appropriately.
  • control circuit diagram is shown to explain a first embodiment of the invention, using control option 3: changing the amplitude and phase position of the output voltage of the converter.
  • the motor with the highest speed was used as the reference motor
  • a second sub-option for setting an operating point was a speed control over the in the figure 1 shown speed controller 10
  • a current phase controller was used, which sets the phase angle ⁇ at the output, specifically for controlling the field-oriented voltage vector in the dq reference coordinate system with a current phase controller 20.
  • the fastest i. H. the lightest loaded motor
  • it also represents the reference for the reference coordinate system. Choosing the fastest or least heavily loaded motor as the reference motor ensures the highest dynamics in the control system.
  • a speed controller is used.
  • the speed controller 10 (here in the form of a PI controller) calculates a setpoint voltage u by comparing it with the returned weighted speeds of all motors ⁇ x . This results in a transformation with the phase angle ⁇ ref (i.e. without taking a phase correction into account) only to a voltage in the q direction in the dq coordinate system at the reference motor.
  • this voltage leads to a field-forming current component developing in the d-direction and a further torque-forming current component in the q-direction.
  • the other motors experience a torque and reach a stable operating point, but this operating point is usually not the most efficient operating point due to the unaffected d component.
  • the phase position and thus the phase angle of the output voltage at the converter must still be suitably adjusted.
  • a current phase controller 20 is used to adjust the phase position and thus to set a preferred operating point, in order to ensure the desired phase position of the current.
  • the current phase controller 20 determines the current field-oriented components of the current in the d-direction and q-direction in relation to the dq reference coordinate system.
  • the deviation from the desired target value determined by the phase detector is sent to a controller (eg a PI controller).
  • the value ⁇ calculated by the controller 21 for the phase angle now ensures that the d current desired from the point of view of the reference system is set.
  • the determined correction angle causes an additional rotation of the set voltage vector. The consequence of this is that there is a negative change in the d-current component in all motors that are running afterward, and these motors develop a greater torque than in the previous, uncorrected operating point. These motors are thus accelerated or increase their speed.
  • a positive change in the d-current component is also brought about in all leading EC motors, as a result of which these EC motors develop less torque than in the previous operating point and are therefore braked.
  • the reference motor is the fastest EC motor.
  • the other two EC motors experience different load jumps, as in FIG figure 3 shown what to a how in the figure 5 speed deviation shown.
  • These sudden changes in load are caused by the in the figure 1 shown stabilization controller intercepted.
  • the phase controller then ensures that the resulting d current is minimized.
  • the field-oriented current flow is on the figure 4 referred.
  • FIG 6 1 is a control circuit diagram for explaining a second embodiment of the invention with a different control topology in which control option 2: changing the phase position of the output voltage of the converter is used.
  • control option 2 changing the phase position of the output voltage of the converter is used.
  • the motor with the highest speed was used as the sub-options as the reference motor, speed control was used to set an operating point, and current phase control was used to set the preferred operating point.
  • this embodiment includes a limiter for the voltage.
  • the stabilization controller calculates a correction angle y stab depending on the differences in speed and angle of rotation. If one of the EC motors now runs after the selected reference motor, the determined correction angle causes an additional rotation of the set voltage pointer. The consequence of this is that there is a negative change in the d-current component in all motors that are running afterward, and these motors develop a greater torque than in the previous, uncorrected operating point. These motors are thus accelerated or increase their speed. A positive change in the d-current component is also brought about in all leading EC motors, as a result of which these EC motors develop less torque than in the previous operating point and are therefore braked.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Multiple Motors (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb mehrerer elektronisch kommutierter Motoren (EC-Motoren) an einem einzigen Umrichter.
  • Im Stand der Technik werden für den Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors typischerweise je ein Umrichter, wie z. B. ein Wechselrichter oder Frequenzumrichter für den Betrieb des Motors verwendet. Werden für eine Anwendung mehrere Motoren benötigt, ließen sich durch die Verwendung lediglich eines gemeinsamen Umrichters Kosten sparen. Im Stand der Technik gibt es bereits Ansätze, wie mehrere Motoren als Master-Slave System angesteuert werden können. In der Publikation von Yongjae Lee and J.I.Ha, "Minimization of stator currents for mono inverter dual parallel PMSM drive system", 2014 International Power Electronic Conference (IPEC -Hiroshima 2014 - ECCE ASIA) pp. 3140 - 3144 wird ein Steuerungsverfahren und die Art und Weise der Regelung von zwei parallelgeschalteten Maschinen beschrieben. Hierbei wird ein Stromregler zur Erzeugung eines d-Stromanteils im entsprechenden d/q-System eingesetzt.
  • In der Publikation von D.Bidart, M. Pietrzak-David, P. Maussion and M. Fadel, "Mono inverter multi-parallel permanent magnet synchronous motor: structure and control strategy", in IET Electric Power Applications, vol. 5, no. 3, pp. 288-294, March 2011 wird eine Regelungslösung zum Betrieb mehrerer PMSM beschrieben, wobei ein Referenzmotor zur Regelung verwendet wird und die Art und Weise, wie der für die Regelung notwendige Referenz-Motor dynamisch zur Laufzeit bestimmt wird. Als Referenz-Motor wird derjenige Motor der mehreren PMSM gewählt, der mit dem höchsten Drehmoment belastet wird.
  • Weiterer druckschriftlicher Stand der Technik, im vorliegenden technischen Gebiet, welcher den Oberbegriff des Anspruchs 1 widerspiegelt, ist in den Dokumenten EP 2 905 891 A1 und EP 3 091 653 A1 offenbart.
  • Es besteht ein Bedarf danach, die Regelung von zwei oder mehreren EC-Motoren weiter zu optimieren, um die Kosten für die benötigte Elektronik zu reduzieren und die Betriebsweise der Motoren zu optimieren.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, um zwei oder mehrere Motoren an einem Umrichter betreiben zu können, womit ein zuverlässiges und stabiles Regelverhalten der beteiligten Motoren erzielt werden soll.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren nach Anspruch 1.
  • Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, das Regelungsverfahren so auszugestalten, dass mit Hilfe einer Winkel- und Drehzahldifferenzauswertung die Spannungsstellung am Ausgang des Umrichters derart geregelt wird, dassdie zwei oder mehreren EC-Motoren im Betrieb einen stabilen Arbeitspunkt einnehmen bzw. einer bestimmungsgemäßen Abfolge von Arbeitspunkten folgen.
  • Dies kann durch die Verwendung einer der drei folgenden Regelungsoptionen erreicht werden. Regelungsoption 1: Veränderung der Amplitude der Ausgangsspannung des Umrichters, Regelungsoption 2: Veränderung der Phasenlage der Ausgangsspannung des Umrichters und Regelungsoption 3: Veränderung von Amplitude und Phasenlage der Ausgangsspannung des Umrichters, kombiniert mit vorzugsweise je einer der folgenden Unteroptionen.
  • Als Regelungsoption 1, 2 und 3 werden im Sinne dieser Erfindung primäre Regelungsoptionen verstanden, während die Unteroptionen im Sinne von sekundären Optionen verstanden werden. Somit wird zunächst eine der drei primären Regelungsoptionen ausgewählt und daran angeschlossen sekundäre Optionen, im Folgenden "Unteroptionen" genannt.
  • Als Unteroption werden erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Motorreferenzsystem zur Regelung zu verwenden, den Betriebspunkt über einen Drehzahlregler, den Aussteuerungsgrad oder eine reine Stromregelung vorzunehmen und/oder die Sicherstellung eines bzw. des bevorzugten Betriebspunktes über eine Stromphasenregelung, eine mathematische Regelungsfunktion oder über Wertezuordnungstabellen vorzunehmen. Somit ergeben sich folgenden Unteroptionen: Unteroption 1: Wahl des Refenzmotors/ Referenzsystems, Unteroption 2: Wahl des Betriebspunktes und Unteroption 3: Sicherstellung eines bzw. des bevorzugten Betriebspunktes.
  • Betreffend der erfindungsgemäßen Unteroption 1 wird als Motorreferenzsystem wahlweise der Motor mit der höchsten Drehzahl, der Motor mit der niedrigsten Drehzahl, ein beliebiger sich im System befindender Motor der mehreren EC-Motoren oder alternativ ein fiktiver Referenzmotor verwendet. Die Auswahl des Referenzmotors im Steuerungs- bzw. Regelungssystem wirkt sich im Wesentlichen auf die statische und dynamische Stabilität des Systems, sowie auf die Effizienz, mit welcher die Motoren bzw. das gesamte System betrieben werden können, aus.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass der in Bezug auf die Phasenlage am weitesten vorrauseilende Motor, der damit gleichzeitig auch der am schwächsten belastete Motor darstellt, als Referenzmotor für die Steuerung des Motorensystems dient. Dieser Motor ist zugleich derjenige Motor, der die größte Feldverstärkung im magnetischen Feld erfährt. Alle anderen Motoren erfahren währenddessen eine geringere Feldverstärkung oder eine Feldschwächung und bilden dadurch ein höheres Drehmoment als der vorauseilende Motor aus.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung dient der am weitesten nacheilende Motor, der gleichzeitig auch der am stärksten belastete Motor darstellt, als Referenzmotor. Dieser Motor ist zugleich derjenige Motor, der die größte Feldschwächung im Feld erfährt. Sofern allerdings die Betriebsweise Feldverstärkung zur Anwendung kommt, erfährt dieser Motor die geringste Feldverstärkung. Alle weiteren vom gleichen Umrichter im System geregelten Motoren erfahren eine geringere Feldschwächung oder eine Feldverstärkung und bilden dadurch ein geringeres Moment aus, als der nacheilende Referenzmotor.
  • In einer weiteren alternativen Ausgestaltung dient ein beliebig ausgewählter Motor im System als Referenzmotor. In einer solchen Regelungstopologie kann einer der vom Umrichter angesteuerten EC-Motoren in seinem optimalen Betriebspunkt eingestellt werden, während die anderen Motoren entsprechend in Bezug auf die Phasenlage vor- oder nachlaufen.
  • Alternativ kann im Regelungsverfahren zur Steuerung der am Umrichter betriebenen EC-Motoren auch vorgesehen sein, dass der jeweilige Referenzmotor dynamisch gewechselt wird, so dass abhängig vom Betriebsverhalten jeweils ein anderer Motor als Referenzmotor dient.
  • In einer anderen Regelungsoption des Regelungsverfahrens wird als Referenzmotor ein fiktiver Motor verwendet, dessen Winkellage z. B. über eine geeignete Gewichtung der Winkellagen aller am Umrichter betriebenen Motoren bestimmt wird. Somit erhält der fiktive Motor eine theoretische Phasenverschiebung, die sich aus der Summe der Winkellagen mehrerer oder aller am gleichen Umrichter in Betrieb befindlichen EC-Motoren ergibt.
  • Durch eine solche Gewichtung der Winkellagen der beteiligten Motoren lassen sich vielfältige Einstell- und Regelmöglichkeiten realisieren. Hierdurch lässt sich bspw. der effizienteste Betriebspunkt des gesamten Antriebssystems, die Regelreserve eines bestimmten Motors oder des gesamten Systems entsprechend der Gewichtung einstellen.
  • Das für die Regelung relevante Referenzkoordinatensystem ergibt sich aus der Wahl des Referenzmotors. Bei Verwendung eines feldorientierten bzw. rotorfesten Koordinatensystems ist ein solches Koordinatensystem beim Anschluss mehrerer EC-Motoren an einem gemeinsamen Umrichter jedoch nicht eindeutig bestimmt, da jeder EC-Motor ein eigenes rotorfestes Koordinatensystem besitzt. Wenn noch eine unterschiedliche Belastung der EC-Motoren und/oder wenn abweichende Motorparameter hinzukommen, weichen die Koordinatensysteme sowohl statisch als auch dynamisch alle voneinander ab. Je nach Ansteuerung des Betriebspunktes gemäß einer Drehzahlregelung, Aussteuergradstellung oder reiner Stromregelung ergibt sich dann durch die entsprechende Wahl des Referenzmotors auch das entsprechende Referenzkoordinatensystem mit seinem Transformationswinkel γref.
  • Die Beschreibung der elektrischen Größen in dem Steuerungssystem erfolgt dabei ausschließlich in diesem vom gewählten Referenzmotor abhängigen Referenzkoordinatensystem.
  • Der vom Umrichter bereit zu stellende Ausgangsspannungszeiger Uxy setzt sich aus den Größen Ux und Uy zusammen, welche senkrecht aufeinander stehen. Im Sonderfall, dass keine Feldschwächung gegeben ist, so dass der Spannungszeiger u und der Stromzeiger i des Umrichters genau um den Belastungswinkel ϕ gegeneinander verschoben sind, ergibt sich durch (Clark/Park) Transformation des Spannungszeigers Uxy mit dem Winkel γref + ϕ und anschließender Rücktransformation mit dem Winkel γref der feldorientierte Spannungszeiger Udq im Referenzkoordinatensystem.
  • In Bezug auf den zuvor genannten Aspekt der Wahl des Betriebspunktes ergeben sich folgende Ausgestaltungsmöglichkeiten als Unteroption 2. Dabei kann mittels eines Drehzahlreglers durch regelmäßigen oder kontinuierlichen Vergleich von Ist- und Solldrehzahl dafür gesorgt werden, dass die EC-Motoren über die Ausgangsspannung am Umrichter in ihrem gewünschten Betriebspunkt gehalten werden.
  • Alternativ kann der gewünschte Betriebspunkt auch über die Vorgabe eines fixen Aussteuergrades bzw. Tastgrads vom Umrichter erreicht werden. Der Betriebspunkt stellt sich dann automatisch ein.
  • Ebenfalls von Vorteil ist ein Regelbetrieb, bei dem die Wahl eines Betriebspunktes mittels eines Stromreglers realisiert wird. Dieser Stromregler prägt auf den Motorwicklungen den gewünschten Sollstrom ein. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn der Motor als Lastmaschine betrieben werden soll.
  • In Bezug auf den zuvor genannten Aspekt der Sicherstellung desbevorzugten Betriebspunktes ergeben sich folgende Ausgestaltungsmöglichkeiten als Unteroption 3. Als Vorauswahl für das Regelungsverfahren ist zunächst die passende Wahl des Referenzsystems d. h. des Referenzmotors, dessen Betriebswerte (wie z. B. Drehzahl oder Phasenlage) als Referenz beim Regelbetrieb genutzt werden, entscheidend, um den bevorzugten Betrieb zu erreichen. Bei Verwendung eines Stromphasenreglers sorgt dieser dafür, dass der resultierende Strom genau den erforderlichen d-Strom-Anteil im dq-System enthält. Durch diese Maßnahme wird der bevorzugte Betriebspunkt im Regelbetrieb erreicht. Hierzu stellt der Stromphasenregler an seinem Ausgang den Phasenwinkel Δy ein. Dieser Winkel Δy entspricht im eingeschwungenen Zustand des Referenzmotors genau der sich durch die Belastung des Referenzmotors ergebenden Phasen̅verschiebung ϕ. Dieser Winkel kann alternativ auch über eine geeignete mathematische Funktion (z. B. in Abhängigkeit der Belastung und der Drehzahl des Motors) bestimmt werden, um einen bevorzugten Betriebspunkt zu erreichen.
  • Alternativ kann die Regelung des optimalen Betriebspunktes auch dadurch erfolgen, dass eine Wertetabelle mit entsprechenden Korrelationswerten zwischen benötigtem Winkel und Betriebspunkt zum Einsatz kommt, die sicherstellt, dass der für den bevorzugten Betriebspunkt benötigte Winkel auch passend eingestellt wird.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Regelschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
    Fig. 2
    den Drehzahlverlauf von drei EC-Motoren an einem Umrichter nach dem ersten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 3
    den Drehmomentverlauf von drei EC-Motoren an einem Umrichter nach dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei zum Zeitpunkt t = 1s ein beispielhafter Lastsprung bei zwei der drei Motoren stattfindet,
    Fig. 4
    den feldorientierte Stromverlauf von drei EC-Motoren an einem Umrichter nach dem ersten Ausführungsbeispiel und dem beispielhaften Lastverlauf nach Figur 3,
    Fig. 5
    den Drehzahlverlauf der drei EC-Motoren an dem Umrichter nach dem ersten Ausführungsbeispiel und dem besipielhaften Lastverlauf nach Figur 3, und
    Fig. 6
    ein Regelschaltbild zur Erläuterung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
  • In der Figur 1 ist ein Regelschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, unter Verwendung der Regelungsoption 3: Veränderung von Amplitude und Phasenlage der Ausgangsspannung des Umrichters, gezeigt.
  • Als eine erste Unteroption wurde als Referenzmotor der Motor mit der höchsten Drehzahl verwendet, als zweite Unteroption zum Einstellen eines Arbeitspunktes wurde eine Drehzahlregelung über den in der Figur 1 gezeigten Drehzahlregler 10 vorgenommen und als dritte Unteroption wurde eine Stromphasenregelung verwendet, die am Ausgang den Phasenwinkel Δγ einstellt und zwar zur Steuerung des feldorientierten Spannungszeigers im dq-Referenz-koordinatensystem mit einem Stromphasenregler 20.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient der schnellste, d. h. der am schwächsten belastete Motor, als Referenzmotor. Er stellt damit gleichzeitig auch die Referenz für das Referenzkoordinatensystem dar. Die Wahl des schnellsten bzw. am schwächsten belasteten Motors als Referenzmotor sorgt für die höchste Dynamik im Regelsystem.
  • In einem weiteren Schritt wird festgelegt, wie der gewünschte Betriebspunkt der Motoren eingestellt werden soll. Im vorliegenden Fall wird ein Drehzahlregler verwendet. Durch Vorgabe einer Solldrehzahl ω* berechnet der Drehzahlregler 10 (hier in Form eines PI-Reglers) durch Vergleich mit den rückgeführten gewichteten Drehzahlen aller Motoren ωx eine Sollspannung u. Diese führt durch Transformation mit dem Phasenwinkel γref (also ohne Berücksichtigung einer Phasenkorrektur) lediglich zu einer Spannung in q-Richtung im dq-Koordinatensystem an dem Referenzmotor. Berücksichtigt man nun das Ersatzschaltbild der EC-Motoren, führt diese Spannung zu einem sich ausbildenden feldbildenden Stromanteil in d-Richtung sowie einem weiteren drehmomentbildenden Stromanteil in q-Richtung. Die weiteren Motoren erfahren dadurch zwar ein Moment und erreichen einen stabilen Betriebspunkt, dieser Arbeitspunkt ist jedoch aufgrund des unbeeinflussten d-Anteils i.d.R. nicht der effizienteste Arbeitspunkt. Dazu muss die Phasenlage und damit der Phasenwinkel der Ausgangsspannung am Umrichter noch geeignet angepasst werden.
  • Zur Anpassung der Phasenlage und damit der Einstellung eines bevorzugten Arbeitspunktes wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Stromphasenregler 20 benutzt, um die gewünschte Phasenlage des Stroms sicherzustellen. Der Stromphasenregler 20 bestimmt mit Hilfe einer geeigneten Gewichtung der gemessenen Ströme ix (im einfachsten Fall nur iUmrichter) die aktuellen feldorientierten Anteile des Stroms in d-Richtung und q-Richtung bezogen auf das dq-Referenzkoordinatensystem. Die vom Phasendetektor ermittelte Abweichung zum gewünschten Sollwert wird auf einen Regler (z.B. einen PI-Regler) gegeben. Der vom Regler 21 berechnete Wert Δγ für den Phasenwinkel sorgt nun im eingeschwungenen Zustand dafür, dass der aus Sicht des Referenzsystems gewünschte d-Strom eingestellt wird.
  • Durch unterschiedliche Belastung der EC-Motoren oder abweichende Motorparameter der jeweiligen EC-Motoren können sich Differenzen in den Drehzahlen bzw. Drehwinkeln der einzelnen Motoren ergeben. Hier kommt nun der in der Figur 1 gezeigte Stabilisierungsregler 30 zum Einsatz. Wenn sich das System vor der auftretenden Abweichung im eingeschwungen Zustand befunden hat, bedeutet dies, dass uy genau in die Richtung von iq zeigt. Abhängig von der Größe der Differenzen bei der Drehzahl und dem Drehwinkel berechnet der Stabilisierungsregler nun eine Spannung ux, die senkrecht auf der vom Drehzahlregler ermittelten Spannung uy, und damit auch senkrecht auf iq steht. Diese Spannung erzeugt also im ersten Moment einen rein feldbildenden Strom. Läuft einer der EC-Motoren nun dem Referenzmotor nach, wird ein negativer ux = ud Spannungszeiger eingestellt. Dieser erzeugt eine rein feldschwächende Wirkung im schneller laufenden Referenzmotor, was jedoch nur geringe Auswirkungen auf das erzeugte Drehmoment im Referenz-motor hat. Im nachlaufenden Motor wird durch die Drehwinkeldifferenz sowohl eine feldschwächende Wirkung als auch eine drehmomentbildende Wirkung erzeugt, was eine Erhöhung des drehmomentbildenden Stroms im nachlaufenden Motor zur Folge hat. Der nachlaufende Motor wird dadurch beschleunigt und die Drehzahldifferenz verringert sich in der Regelstrecke vorzugsweise bis auf Null. Dieses Regelungsverfahren wirkt in umgekehrter Weise natürlich auch für gegenüber dem Referenzmotor vorlaufende Motoren abbremsend.
  • Läuft somit einer der EC-Motoren nun dem ausgewählten Referenzmotor nach, sorgt der ermittelte Korrekturwinkel für eine zusätzliche Verdrehung des gestellten Spannungszeigers. Dies hat zur Folge, dass sich bei allen nachlaufenden Motoren dadurch eine negative Änderung des d-Strom-Anteils ergibt und diese Motoren ein größeres Drehmoment ausbilden als im vorausgehenden, unkorrigierten Betriebspunkt. Diese Motoren werden somit beschleunigt bzw. vergrößern ihre Drehzahl.
  • Ebenso wird bei allen vorauseilenden EC-Motoren eine positive Änderung des d-Strom-Anteils herbeigeführt, wodurch diese EC-Motoren weniger Moment ausbilden als im vorherigen Betriebspunkt und dadurch abgebremst werden.
  • In den Abbildungen gemäß den Figuren 2, 3 und 4 werden der Drehmomentverlauf, der Drehzahlverlauf und der feldorientierte Stromverlauf von drei beispielhaften parallel geschalteten EC-Motoren an einem Umrichter im Regelbetrieb nach dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt.
  • Dabei werden, wie in der Figur 2 gezeigt, die EC-Motoren aus dem Stillstand auf eine Drehzahl von 600 U/min angefahren, die zum Zeitpunkt t=0,4 s nach dem Start erreicht ist. Der Referenzmotor ist der schnellste EC-Motor. Zum Zeitpunkt t = 1s erfahren die beiden anderen EC-Motoren unterschiedliche Lastsprünge, wie in der Figur 3 gezeigt, was zu einer, wie in der Fig. 5 dargestellten Drehzahlabweichung führt. Diese Lastsprünge werden durch den in der Figur 1 gezeigten Stabilisierungsregler abgefangen. Der Phasenregler sorgt anschließend für eine Minimierung des resultierenden d-Stroms. Betreffend dem feldorientierten Stromverlauf wird auf die Figur 4 verwiesen.
  • In der Figur 6 ist ein Regelschaltbild zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer anderen Regelungstopologie gezeigt, bei der die Regelungsoption 2: Veränderung der Phasenlage der Ausgangsspannung des Umrichters zur Anwendung kommt. Als Unteroptionen wurden, wie im ersten Ausführungsbeispiel als Referenzmotor der Motor mit der höchsten Drehzahl, zum Einstellen eines Arbeitspunktes eine Drehzahlregelung und zur Einstellung desbevorzugten Betriebspunkt eine Stromphasenregelung verwendet. Weiter umfasst diese Ausführungsform einen Begrenzer für die Spannung.
  • Wie bereits beim ersten Ausführungsbeispiel erläutert, können sich durch unterschiedliche Belastungen der Motoren oder abweichende Motorparameter Differenzen in den Drehzahlen bzw. Drehwinkeln der EC-Motoren ergeben. Der Stabilisierungsregler berechnet abhängig von den Differenzen bei Drehzahl und Drehwinkel einen Korrekturwinkel ystab. Läuft einer der EC-Motoren nun dem ausgewählten Referenz-motor nach, sorgt der ermittelte Korrekturwinkel für eine zusätzliche Verdrehung des gestellten Spannungszeigers. Dies hat zur Folge, dass sich bei allen nachlaufenden Motoren dadurch eine negative Änderung des d-Strom-Anteils ergibt und diese Motoren ein größeres Drehmoment ausbilden als im vorausgehenden, unkorrigierten Betriebspunkt. Diese Motoren werden somit beschleunigt bzw. vergrößern ihre Drehzahl. Ebenso wird bei allen vorauseilenden EC-Motoren eine positive Änderung des d-Strom-Anteils herbeigeführt, wodurch diese EC-Motoren weniger Moment ausbilden als im vorherigen Betriebspunkt und dadurch abgebremst werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Regeln und Steuern von zwei oder mehreren elektronisch kommutierten Motoren, nachfolgend EC-Motoren genannt, die an einem gemeinsamen Umrichter betrieben werden, wobei zum Einstellen eines stabilen Arbeitspunktes oder einer Abfolge von stabilen Arbeitspunkten der EC-Motoren eine gemeinsame Regelung mit wenigstens einem Regler vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von wenigstens einer Regelungsoption und einer Unteroption zu dieser Regelungsoption vorgesehen ist und dabei eine Regelgröße die Spannungsstellung am Ausgang des Umrichters darstellt, wobei die Spannungsstellung am Ausgang des Umrichters mit Hilfe einer Winkel- und Drehzahldifferenzauswertung zwischen einem Referenzmotor und wenigstens einem der EC-Motoren ausgewählt aus den EC-Motoren erfolgt, wobei gemäß einer Unteroption die geeignete Auswahl eines Referenzmotors für die Regelung der Arbeitspunkte der EC-Motoren vorgenommen wird und wobei als Motorreferenzsystem wahlweise der Motor mit der höchsten Drehzahl als Referenzmotor, der Motor mit der niedrigsten Drehzahl, eine geeignet gewichtete Kombination aus mehreren EC-Motoren oder ein fiktiver Referenzmotor verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelungsoption zum Einregeln eines bevorzugten Arbeitspunktes der EC-Motoren die Veränderung der Amplitude der Ausgangsspannung am Umrichter, die Veränderung der Phasenlage der Ausgangsspannung am Umrichter oder die Veränderung von Amplitude und Phasenlage der Ausgangsspannung am Ausgang des Umrichters verwendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Unteroption mit einer der in Anspruch 2 definierten Regelungsoptionen kombiniert wird, wobei als weitere Unteroption eine Drehzahlreglung, die Anpassung des Aussteuerungsgrads oder eine reine Stromregelung vorgesehen ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Unteroption die Sicherstellung des stabilen Arbeitspunktes als effizienter Arbeitspunkt der EC-Motoren über eine Stromphasenregelung, eine mathematische Funktion oder über Wertezuordnungstabellen vorgenommen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Drehzahlreglers durch regelmäßigen oder kontinuierlichen Vergleich von Ist- und Solldrehzahl dafür gesorgt wird, dass die EC-Motoren über die Regelung der Ausgangsspannung des Umrichters eine beliebige Abfolge an Arbeitspunkten stabil folgen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des gewünschten Betriebspunkts der EC-Motoren mittels Vorgabe eines fixen Aussteuergrades vom Umrichter erreicht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Sicherstellung des bevorzugten Arbeitspunktes unter Verwendung einer Stromphasenregelung, wobei der resultierende Strom bei der Stromphasenregelung den dazu erforderlichen d-Strom-Anteil in einem dq-Koordinatensystem enthält, wobei der Stromphasenregler hierzu an seinem Ausgang den Phasenwinkel Δγ zwischen dem d-Strom-Anteil und dem q-Strom-Anteil einstellt, der im eingeschwungenen Zustand des Motors genau der sich durch die Belastung des Motors ergebenden Phasenverschiebung ϕ entspricht.
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